O mistério de como as células localizadas no cérebro mapeiam seu ambiente físico
Seu cérebro é notavelmente bom em mapear espaços físicos – mesmo que seja um espaço imaginário como Hogwarts. Mas como o cérebro faz isso?
(Crédito: Tryfonov via Adobe Stock)
Principais conclusões- Em seu livro, Lugares escuros e mágicos: a neurociência da navegação , o biólogo molecular Christopher Kemp explora como o cérebro gera mapas altamente detalhados dos espaços físicos ao nosso redor.
- A chave para o processo são as 'células de lugar', que estão localizadas no hipocampo.
- Neste trecho do livro, Kemp analisa o papel das células de lugar e como esse grupo relativamente esparso de células realiza tarefas tão impressionantes.
Extraído de LUGARES ESCUROS E MÁGICOS: A Neurociência da Navegação. Copyright (c) 2022 por Christopher Kemp. Usado com permissão do editor, W. W. Norton & Company, Inc. Todos os direitos reservados.
Como pesquisador de pós-doutorado na University College London na década de 1970, John O'Keefe estava interessado no hipocampo e seu papel na memória — como todo mundo. Naquela época, os pesquisadores descobriram uma nova maneira de registrar a atividade elétrica de neurônios individuais, implantando um pequeno eletrodo de gravação no cérebro de um rato em movimento livre. Quando os neurônios estão ativos, eles geram um sinal elétrico distinto – um pico conhecido como potencial de ação – que pode ser medido se o eletrodo estiver próximo o suficiente para detectá-lo.
Trabalhando dessa maneira, O'Keefe acreditava que obteria importantes insights sobre a memória. Eu ia ver como eram as memórias, ele lembrou, em uma palestra de 2014 na SUNY.
Mas não foi nada disso que aconteceu. Quando O'Keefe posicionou seu eletrodo de gravação no hipocampo e começou a monitorar os padrões reveladores de atividade neuronal, ele detectou duas populações distintas de células. Um deles era previsível, disparando em um padrão de onda regular e lentamente rítmico, conhecido como atividade teta. Mas o segundo tipo de célula era diferente. Na maioria das vezes, a segunda população de células estava visivelmente silenciosa. Eles não fizeram nada. Mas, ocasionalmente, um deles explodia em atividade repentina, aumentando sua taxa de disparo em uma tempestade barulhenta de impulsos elétricos — uma cordilheira íngreme de padrões de espigões. A princípio, O'Keefe não sabia por quê.
Em 2014, ele escreveu: Foi apenas em um dia específico quando estávamos gravando de uma célula bem isolada muito clara com um correlato claro que me dei conta de que essas células não estavam particularmente interessadas no que o animal estava fazendo ou por que estava fazendo isso, mas eles estavam interessados em onde estava no ambiente na época. Quando o rato chegou a um determinado local no ambiente — por exemplo, o canto noroeste de um grande recinto aberto — a célula disparou: clique. Em outros lugares, ficou em silêncio. Quando o rato voltou ao local em que a célula havia disparado antes — clique — disparou novamente. Uma célula ativa no canto noroeste da caixa dispararia naquele local, mas em nenhum outro lugar. Enquanto o animal explorava seu recinto e O'Keefe observava a atividade dos neurônios, ele percebeu: As células estavam codificando a localização do animal!
O’Keefe as nomeou células de lugar.
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Encontradas quase exclusivamente no hipocampo, as células de lugar são um tipo de neurônio conhecido como célula piramidal, descrito pela primeira vez há mais de um século pelo neurocientista espanhol Santiago Ramón y Cajal. Durante sua longa carreira, Cajal produziu centenas de imagens neuroanatômicas finamente detalhadas de diferentes estruturas cerebrais, mostrando sua estrutura microscópica em detalhes requintados. Ele recebeu o Prêmio Nobel em 1906 por seu trabalho. Ele fez várias descobertas importantes e trouxe a arquitetura do cérebro para a página.
Um dos intrincados desenhos de tinta e lápis de Cajal de 1896 mostra células piramidais de um córtex cerebral de coelho. Parecem árvores arrancadas de uma estranha floresta cinzenta, suas estruturas de raízes flutuando acima do solo. Um axônio longo e reto se estende de um corpo celular em forma de pirâmide antes de se ramificar e bifurcar em um grosso mandril de dendritos em cada extremidade, compartilhando conexões locais com milhares de outros neurônios que o informam e informam. As células piramidais são encontradas amplamente no córtex cerebral e na amígdala, mas parecem codificar apenas a localização espacial no hipocampo ou nas proximidades. Para complicar as coisas, alguns anos após a descoberta inicial das células de lugar, O'Keefe descreveu as células de lugar errado. Se um animal viaja para um local em seu ambiente esperando encontrar algo que está ausente, a célula errada começa a disparar.
O'Keefe mostrou que quando o rato está em repouso, uma célula de lugar dispara uma vez a cada dez segundos ou mais. Mas, quando ativado, começa a sinalizar muito mais rapidamente, uma enxurrada de potenciais de ação chegando a uma taxa de cerca de vinte vezes por segundo ou mais rápido. Esses impulsos agem como um farol de localização, um cursor, um alfinete em um mapa. A localização exata que uma célula de lugar dispara é conhecida como seu campo de lugar ou campo de disparo. Imagine, por exemplo, que você está parado na porta da frente: uma célula de lugar é ativada. Mas quando você entra em sua casa e começa a andar pelo corredor, esse celular em particular para de disparar. Isso aquieta. Pertence apenas a esse único lugar — à porta da frente. À medida que você começa a se mover pela sua casa, uma procissão de células de outros lugares começa a disparar, uma após a outra, de sala em sala, antes de silenciar novamente. A atividade de cada célula indica um local distinto em sua casa. Cela #008: a pia da cozinha; Célula nº 192: sua cadeira de leitura favorita; Cela #417: a janela do seu quarto com vista para a rua. E assim por diante. Dessa forma, as células de lugar estão mapeando infinitamente todo o seu ambiente espacial, um local de cada vez.
Mas como eles fazem isso?
No sentido mais direto, diz Lynn Nadel, coautora O hipocampo como mapa cognitivo com O'Keefe em 1978, uma célula de lugar é um neurônio tipicamente no hipocampo, embora coisas semelhantes sejam encontradas em outros lugares, cuja atividade é de alguma forma modulada, causada ou relacionada ao local onde o animal está localizado em seu ambiente. Mas isso não é tudo o que faz, diz ele. Da mesma forma que a definição de um mapa cognitivo está sendo cuidadosamente revisada, os pesquisadores começaram a se perguntar se as células de lugar também podem ter um papel mais amplo. É realmente o que pensamos que é quando a chamamos de célula de lugar? pergunta Nadel. Na verdade, pode ser algo muito mais interessante. As pessoas estão começando a falar sobre eles não como células de lugar, mas como células de engrama, ou células de conceito. O debate sobre como definir e pensar precisamente sobre as células de lugar provavelmente continuará até que os neurocientistas cheguem a um consenso – e talvez nunca cheguem. De sua parte, Nadel acha que as células de lugar são um componente de uma rede neural maior. Eles não ficam sentados lá sozinhos segurando uma bandeira dizendo ao animal: você está aqui, diz ele. Eles fazem parte de uma rede mais ampla de células que está realmente lidando com as sequências de ações que o animal está realizando e para onde elas levam o animal e o que esperar quando você chegar lá.
Quando O'Keefe e Nadel publicaram O hipocampo como mapa cognitivo , era um manifesto neurocientífico, filosófico e técnico. Foi um divisor de águas. De alguma forma, era ao mesmo tempo lírico e erudito. Com ele, nasceu todo um campo da neurociência. Começou: O espaço desempenha um papel em todo o nosso comportamento. Nós vivemos nele, nos movemos, exploramos, defendemos. Achamos bastante fácil apontar para pedaços dele: a sala, o manto dos céus, o espaço entre dois dedos, o lugar deixado para trás quando o piano finalmente é movido.
A partir desse começo simples e caprichoso, eles então deram um salto, fazendo uma série de perguntas que, como os koans budistas, deixam meu cérebro amarrado: objetos podem existir sem espaço? O espaço pode existir sem objetos? Se o espaço entre dois objetos está realmente preenchido com partículas minúsculas, ainda é espaço? O espaço existe mesmo, ou é uma invenção, uma construção humana — uma invenção de nossa imaginação? Se inventamos o espaço, como o fizemos?
Essas foram as perguntas existenciais e alucinantes que deram início à busca por células de lugar.
Em 2014, O'Keefe recebeu o Prêmio Nobel por seu trabalho sobre o complexo circuito neural que controla a navegação. Ele o compartilhou com dois pesquisadores noruegueses para seu trabalho posterior em outras células que codificam o espaço. Agora grisalho e com mais de oitenta anos, com a barba rala intacta, O’Keefe ainda está nisso, trabalhando no mesmo laboratório cinquenta anos depois na University College London. O'Keefe e Nadel se formaram juntos na McGill University em Montreal no final dos anos 1960: um garoto irlandês do Bronx e um garoto judeu do Queens, como Nadel colocou em uma entrevista de 2014. Agora estavam juntos em Londres, trabalhando no sistema de navegação interno. Nadel havia deixado sua bolsa de pós-doutorado em Praga em agosto de 1968, quando tanques soviéticos rolaram pelas ruas de paralelepípedos da cidade medieval. Carregando sua então esposa e dois filhos em uma van, ele dirigiu até O’Keefe, já na movimentada Londres. Eles eram os americanos arrivistas.
Não estávamos procurando por essa forma específica de atividade, Nadel me diz. Quando você coloca eletrodos no cérebro de um animal e grava sob condições que ninguém jamais gravou antes, você não sabe o que diabos vai ver.
No laboratório, O'Keefe e Nadel tinham manipulado seu aparelho de gravação para produzir um som toda vez que uma célula próxima ao eletrodo começava a disparar. Naquela época, os dados eram gravados em fitas magnéticas e analisados posteriormente. Os padrões de disparo específicos do local os pegaram de surpresa.
A primeira vez que ouvimos, diz Nadel, foi como: Que diabos foi isso?
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Quando ligo para André Fenton pelo celular, ele acaba de sair de um trem no meio da manhã para a agitação fria, cavernosa e de teto alto da Union Station, em Washington, DC. O barulho de outros passageiros é uma onda constante em torno dele. Um neurobiólogo do Centro de Ciência Neural da Universidade de Nova York, Fenton (7 de 10) estuda o armazenamento e a coordenação da memória no cérebro humano. Acontece que me interesso muito pelo conhecimento, diz ele para uma parede de ruído branco, de onde vem, como o obtemos, como o fazemos, se corresponde a coisas que são realmente reais e assim por diante.
Como as células de lugar armazenam um tipo específico de conhecimento — conhecimento espacial — Fenton também está interessado nelas, junto com os sistemas neurais que elas ajudam a formar. O legal do sistema de navegação, diz ele, é que é todo um sistema de conhecimento que todos nós temos e usamos. Podemos provar que o temos usando-o. Acabei de descer do trem na Union Station em Washington, e não foi por acaso que cheguei aqui.
Mas para Fenton e muitos outros, as células de lugar ainda representam um enigma não resolvido. Por onde eles descarregam potenciais de ação, eles parecem sinalizar locais no espaço, diz ele. Agora, o que é interessante em particular sobre o que acabei de dizer é se você der outro passo para trás e disser: 'Bem, como eles saberiam onde está sua localização no espaço, para sinalizar isso?'
Pode ser tentador pensar que as células de lugar são como as células que compõem outros órgãos sensoriais, como nossos olhos e ouvidos. Mas eles não são. Eles são diferentes em aspectos importantes. Considere o olho: a retina na parte de trás do globo ocular atua como um sensor de luz. A informação visual é coletada quando a luz incide sobre as células especializadas e é transmitida através de caminhos neurais para o cérebro, onde podemos começar a entendê-la. O córtex visual então ordena a informação sensorial recolhida pelos nossos olhos. Ele edita e interpreta essas informações para nós. A visão é bastante complicada, mas pelo menos começa com a entrada do mundo físico: a luz.
A luz é tangível. Você pode rastreá-lo para o mundo real, pelo menos em princípio, diz Fenton. O legal das células de lugar é: você não pode. Nós explicitamente não temos um sensor para locais no espaço, mas essas células parecem saber algo sobre locais no espaço. As células de lugar permanecem um mistério. Cinquenta anos desde que foram nomeados, ainda não os entendemos completamente. Quase tudo o que sabemos veio de animais em uma caixa, ou labirinto, ou correndo ao longo de uma trilha. As células de lugar são navegadores flexíveis. Eles nos permitem mapear qualquer local do planeta. Eles são poderosos além da medida. Quando os humanos finalmente viajarem para Marte, diz Fenton, nossas células de lugar nos permitirão navegar até lá também. Eles mapeiam todo o universo. Eles até nos permitem explorar lugares imaginários e virtuais — locais que não existem. Você provavelmente entende Hogwarts, diz Fenton, e isso não existe. Em ratos, as células de lugar continuam a construir um mapa cognitivo mesmo quando o animal está no escuro. As celas do lugar até mesmo disparam de uma maneira específica do local se um rato estiver equipado com uma venda em miniatura — um fato que é tão ridículo quanto informativo.
Como as células de lugar podem fazer isso? Fenton diz que há relativamente poucos deles. Como eles podem calcular e codificar um universo infinitamente grande, e até mesmo codificar a localização de lugares inexistentes e imaginários? Na verdade, explica Fenton, é preciso mais do que uma célula de um único local para sinalizar um local. Muito mais. Um rato explorando um pequeno recinto aberto pode precisar apenas de um punhado de células de lugar para codificar sua localização, mas em um ambiente maior e mais complexo, são necessárias mais células de lugar. É aqui que os números são importantes.
Fenton diz: Uma maneira de pensar sobre isso é que existem, digamos, na ordem de um milhão de células em seu cérebro, ou no cérebro de um camundongo ou rato no sistema hipocampal, e existem diferentes partes desse sistema. Em cada parte do sistema, diz Fenton, existem algumas centenas de milhares de células de lugar, e aproximadamente dez por cento delas estão ativas a qualquer momento. À medida que um indivíduo se move em torno de um ambiente, dez por cento diferentes de células de lugar se tornam ativas, disparando para representar um local específico no espaço. Eles não se tornam ativos de uma maneira simples, como em um tabuleiro de xadrez — primeiro este conjunto e depois um conjunto completamente diferente um passo adiante, diz Fenton. É uma representação contínua. Há dez mil células de lugar disparando a qualquer momento. Em cada lugar do universo, dez mil células únicas estarão disparando.
Em outras palavras, a célula de lugar que dispara, explodindo em atividade quando estou na pia da minha cozinha — a célula 008 — é única. Mas tem cerca de 9.999 camaradas atirando simultaneamente com ele, espalhados por todo o sistema hipocampal e possivelmente além de suas fronteiras também. Quando me sento na minha cadeira de leitura favorita, outras 10.000 células de lugar disparam — uma combinação totalmente diferente de células que codificam minha posição. Talvez algumas das minhas celas de lugar disparem em ambos os locais. Mas outros não.
É a combinação específica de células de lugar disparando em conjunto que representa um lugar. Esse princípio organizador é chamado de código de conjunto, uma vez que requer um conjunto discreto e único de células de lugar disparando juntas ao mesmo tempo em um evento orquestrado — uma rajada sincronizada — para codificar um único local. O poder de computação de um sistema como este é incrível. E desconcertante. Se existe um padrão na maneira como as células se juntam — o que determina um conjunto específico — os cientistas ainda não o encontraram. Não há relação topográfica entre duas células de lugar. Em outras palavras, duas células localizadas próximas uma da outra no hipocampo são tão prováveis de representar dois locais distantes em um ambiente quanto dois locais próximos um do outro. Ambos podem disparar no mesmo local, como parte de um conjunto. Ou talvez não.
Assim como você pode calcular, com um alfabeto de vinte e seis letras, um número muito, muito grande de palavras, diz Fenton, você pode calcular, com um pequeno número dessas células, ou um número relativamente pequeno – algumas centenas mil — virtualmente um número infinito de possibilidades de localização.
Os neurocientistas computacionais têm um nome para o princípio pelo qual uma população relativamente pequena de células — por exemplo, algumas centenas de milhares de células posicionadas no hipocampo — disparam juntas para codificar algo vasto e infinito, como o universo físico. É conhecido como codificação esparsa.
Se Fenton quiser aprender algo sobre células de lugar e como elas codificam nossa posição no espaço, ele deve primeiro inserir um eletrodo de gravação em um cérebro para monitorar a atividade elétrica das células de lugar. É a mesma técnica que O'Keefe estava usando em 1970. Normalmente, os pesquisadores usam ratos ou camundongos para este trabalho. Quase exclusivamente, eles apontam o eletrodo para o hipocampo do rato, a região do cérebro onde as células são particularmente abundantes. Isso não é uma coisa fácil de fazer. Gradualmente, porém, nas últimas décadas, os neurocientistas tornaram-se muito bons nisso.
Por mais de uma década, os pesquisadores têm usado tetrodos, cada um com quatro eletrodos separados. Dessa forma, eles podem gravar a atividade de disparo de vários neurônios diferentes ao mesmo tempo, da mesma forma que um microfone lançado em um grupo de pessoas pode gravar vários tópicos de conversa ao mesmo tempo, em vez de apenas uma única voz. Mesmo assim, como as células de lugar estão espalhadas por todo o hipocampo, Fenton só pode monitorar algumas delas ao mesmo tempo — talvez apenas dez em um animal, diz ele. Se ele tiver sorte, seus eletrodos podem ficar perto o suficiente de até sessenta células de uma só vez. Ele pode vê-los atirando juntos em tempo real enquanto o rato se move. Mas como existem algumas centenas de milhares de células de lugar no hipocampo, e algumas espalhadas além de suas fronteiras também, se for preciso o disparo súbito e sincronizado de um conjunto de cerca de 10.000 delas para codificar um local específico, como Fenton suspeita, até mesmo o melhor estudo fornece um quadro incompleto. É um pouco como estudar a dinâmica de uma multidão revoltada traçando os movimentos de um punhado de pessoas nela. Ou montar uma conversa entre 10.000 pessoas ouvindo apenas cinquenta vozes.
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